关于变频空调压缩机驱动技术的研究

关于变频空调压缩机驱动技术的研究

龙伟杰

三菱电机（广州）压缩机有限公司510730

摘要：随着科学技术的不断进步以及节能减排的政策要求，变频空调的出现给消费者带来更加舒适的使用体验，同时其节电性大大降低了对环境污染的影响，更加绿色环保。而实现变频空调的核心在于变频压缩机的应用，因此在环保节能、高舒适性要求越来越高的形势下，本文对变频空调压缩机的驱动技术进行研究，以期对完善变频空调压缩机驱动技术，实现家电的高效节能做出个人贡献。

关键词：变频空调；压缩机；驱动技术

1.空调压缩机概述

空调压缩机是在空调制冷回路中起压缩驱动制冷剂的作用。空调制冷回路一般包括压缩机、冷凝器、膨胀机构（毛细管等）、蒸发器几大部件。而压缩机一般与冷凝器、膨胀机构装在室外机中，简要制冷回路如下图1所示。制冷回路分以下阶段：①空调压缩机把低温低压的气态制冷剂吸入，然后经过压缩之后使其变为高温高压的气态制冷剂，送到冷凝器。②通过冷凝器的冷凝作用将热量散发到空气中，高温高压气态制冷剂变为高温高压液态制冷剂。③制冷剂通过膨胀机构的节流作用，变为低温低压的液态制冷剂后进入蒸发器。④制冷剂在蒸发器中吸收房间空气的热量，蒸发为低温低压的气态制冷剂。这样，空调压缩机不断工作，就不断地把低压区一端的热量吸收到制冷剂中再送到高压区散发到空气中，起到调节气温的作用。

图1空调制冷回路

2.变频空调压缩机的优越性

变频压缩机是指相对转速恒定的压缩机而言，通过一种控制方式或手段使其转速在一定范围内连续调节，能连续改变输出能量的压缩机。变频空调压缩机采用先进的变频技术，在节能降耗上优于普通空调，具有较高的功率因素。变频空调的概念是相对于工作在220V、50Hz条件下的定频空调而产生的。与依靠不断地“开、停”室外压缩机来调整室温的定频空调相比，变频空调的优势在于可以利用变频技术改变压缩机供电电源的频率，也就可以通过改变压缩机的运行频率达到控制室温的目的。当达到所设定的温度时，压缩机就进入低速运行模式，这样既可使室温波动小、耗电量低，又避免频繁的启动，延长压缩机的寿命。同时变频空调还能根据压缩机的工作频率改变风机的转速，能实现低噪声的运行。在国家节能环保要求日益提高的今天，变频空调凭借其在节能、降噪、舒适等方面的优势，已开始在社会生活中扮演越来越重要的角色。

3.变频空调压缩机驱动技术分析

3.1位置估算

在变频压缩机中，为了获得最大输出转矩，必须通过位置估算来确保定子的电流和转子磁极保持垂直关系。由于压缩机当中，永磁电动机是由始至终都处于一个密封的状态当中，并且在运行时压缩机的温度非常高，在内部充满腐蚀性高压制冷剂，因此一般采用无位置传感器的位置估算。

目前反电动势法是主流的估算方法，具有结构简单、实现方便的优点，但低速时性能较低的缺点亦较为明显。因此众多团队都在致力研究更加完善的估算方法，而其中拓展卡尔曼滤波法是最被认可的，这种位置估算的方法可以在最小均方差的基础上进行对控制系统的状态估算。经研究试验证明该方法具有较强的实用性以及动态性、较大的位置调速范围。但其不足之处需要用到较多的误差统计参数，达到消除随机的系统和测量噪声的目的。而这些参数的分析和确定非常困难。

另外，随着控制理论的不断发展，人工智能控制如模糊控制、神经网络控制等已在应用研究中，相信随着微处理器和DSP技术的发展，必将进一步完善估算方法。

3.2驱动控制

3.2.1矢量控制

矢量控制是在磁场定向坐标系下，电流矢量分解为励磁电流和转矩电流两个相互垂直的分量，两者分别用来产生磁通及转矩，经坐标变换后，通过正交或解耦操作可相应对磁场及转矩进行独立、连续控制。在不同的应用场合，永磁同步电机矢量控制策略可分为3种形式：id=0控制、最大电磁转矩/电流比控制、弱磁控制。

①在id=0控制中，直轴分量恒等于0。此时等效直轴绕组开路不起作用。如不考虑定子直轴分量，仅从交轴电压方程来看，永磁同步电机则可等效为一台直流电机。id=0的控制策略简单，但存在2个缺点：永磁同步电机本身气隙磁阻不均匀，忽略了磁阻转矩的作用，使得单位电流下电磁转矩不是最大；电机只能在额定转速以下工作。

②最大电磁转矩/电流比控制策略（MaximumTorqueper，简称MTPA）也称单位电流电磁转矩最大控制策略。当定子电流一定时，使电机输出转矩最大或当输出转矩一定时，定子电流最小。对于Ld=Lq的隐极式永磁同步电机而言，MTPA与id=0控制策略完全一样。而对于Ld≠Lq的凸极同步电机来说，如果Ld<Lq，直轴电枢电流分量小于0，电枢反应起去磁作用，电枢反应起去磁作用，这种单位电流电磁转矩最大控制策略是以削弱转子励磁磁场，提高电机功率因素方法来提高单位电流电磁转矩的，即弱磁控制方式，可以扩大调速范围。如果Ld>Lq，直轴电枢电流分量大于0，电枢反应起助磁作用，这种单位电流电磁转矩最大的控制策略是以增强励磁磁场，提高电机功率因素来提高电流电磁转矩的。

③弱磁控制常应用于内置式永磁同步电机控制。当电机电压达到最大时，通过弱磁控制，降低励磁磁通，可在恒定电压下，扩展电机的高速运行范围，从而使空调获得更高的制冷/制热能力。

3.2.2直接转矩控制

直接转矩控制以对定子磁链的估算作为磁场定向，最终实现对定子磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制的优点表现在：除定子电阻外的其余电机参数在某些扰动作用下仍能保持基本不变的性能，通过加入磁链观测器对同步速度信息的估算较方便，更利于实现无速度传感器控制。而其缺点在于逆变器开关频率不固定，转矩及电流波动较大，另外需要较高的采用频率实现数字化控制。

3.3转矩补偿

如今的家用变频空调的压缩机主要采用单转子压缩机、双转子压缩机以及涡旋式压缩机。其中单转子压缩机成本低、结构简单，为最普遍的样式。变频空调大部分时间运行在轻负荷条件，压缩机处于低速运行状态，而单转子压缩机因为转子不平衡的情况加剧，会出现大幅度的振动现象，严重影响空调的正常运行。为解决这一课题，我们可以采用转矩控制的方法，对转矩进行补偿，让压缩机始终保持在一个稳定的状态下工作，实现压缩机的减震。

结束语

总之，随着家用空调能效等级新国标《转速可控型房间空气调节器能效限定值及能源效率等级》出台及实施，国内越来越多的空调器生产厂家将重点转移至变频空调。近年来，微电子技术、模糊控制技术、神经网络技术和电力电子技术迅猛进步，未来变频空调产品及压缩机驱动技术一定会朝着高度集成化、智能化和模块化方向发展，使空调产品的功能得到最大化发挥。

参考文献：

[1]孙承波.空调永磁同步压缩机控制系统研究[D].上海大学.2008.

[2]刘铁丁.变频空调压缩机驱动技术研究[D].广东工业大学.2011.

[3]刘军，马名贵.变频空调压缩机驱动技术探究[J].科技视界.2017.